Турбореактивные двигатели и реактивные двигатели: Авиационные газотурбинные двигатели / Хабр

Глава третья

Турбореактивный двигатель

Назначение одной из машин, составляющих турбореактивный двигатель, совершенно очевидно. Ведь из двигателя наружу через выходное отверстие должен вытекать с большой скоростью воздух (газы). Как же можно этою добиться? Очевидно, для этого давление воздуха внутри двигателя должно быть большим, чем в окружающей атмосфере.

Все, конечно, наблюдали, как со свистом вырывается пар из чайника, когда в нем в результате кипения воды увеличивается давление, или как с шумом вытекает под давлением вода из открытого водопроводного крана. Но как можно увеличить давление воздуха внутри турбореактивного двигателя?

Для повышения давления воздуха его необходимо сжать. Многие знают, как осуществляется сжатие воздуха, — для этого существуют специальные машины, так называемые компрессоры.

Поэтому воздух, поступающий через входное отверстие внутрь двигателя, прежде всего попадает в компрессор и сжимается там до давления в несколько атмосфер.

Компрессор — это важнейшая часть турбореактивного двигателя. От компрессора зависят и технические данные двигателя, и его внешний вид. В настоящее время широкое применение в турбореактивных двигателях получили компрессоры двух типов: центробежные и осевые. Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором изображен на рис. 9 и с осевым компрессором — на рис. 10.

Главной частью центробежного компрессора является крыльчатка, которая представляет собой большое, до 1 м в диаметре, колесо с тонкими лопатками, расположенными на одной или обеих торцовых (боковых) поверхностях (рис. 11). Эта крыльчатка вращается с большим числом оборотов внутри корпуса. Воздух, засосанный в двигатель, подводится к крыльчатке компрессора у ее средней части и сразу, попадая в каналы между лопатками крыльчатки, начинает вместе с ней вращаться с большой скоростью вокруг оси крыльчатки. В результате этого на молекулы воздуха начинает действовать большая центробежная сила и они отжимаются от центра к периферии крыльчатки, так что из компрессора выходит сжатый воздух.

Но сжатие воздуха происходит не только в крыльчатке центробежного компрессора, оно не прекращается и после того, как молекулы воздуха слетают с крыльчатки. Объясняется это тем, что воздух, отбрасываемый крыльчаткой, обладает не только повышенным давлением, но и большой скоростью, измеряемой сотнями метров в секунду, а следовательно, и большой кинетической энергией. Эта энергия и используется для дополнительного сжатия воздуха.

Один из основных законов течения всякой жидкости, а следовательно, и воздуха (этот закон носит имя открывшего его русского академика Даниила Бернулли) гласит, что кинетическая энергия может быть преобразована в потенциальную энергию, в энергию давления. Чтобы увеличить давление быстро текущего газа, его нужно плавно затормозить, постепенно уменьшить его скорость. Вот почему воздух, с огромной скоростью покидающий крыльчатку, поступает в так называемый диффузор, который является второй важнейшей частью центробежного компрессора. В диффузоре, кольцом охватывающем крыльчатку, установлены криволинейные, изогнутые лопатки, хорошо видные на рис. 11. Каналы между этими лопатками представляют собой как бы расширяющиеся трубы — их проходные сечения постепенно увеличиваются, а это как раз и нужно для того, чтобы затормозить воздух. Входя в каналы диффузора с большим давлением и большой скоростью, воздух покидает эти каналы с малой скоростью, но зато с еще большим давлением.

Наличие лопаток в диффузоре вовсе не является обязательным — торможение воздуха с повышением его давления можно осуществить и в безлопаточном диффузоре, представляющем собой просто кольцевой канал вокруг крыльчатки.

Центробежный компрессор имеет большой диаметр, а длина его сравнительно невелика. У осевого компрессора, наоборот, диаметр меньше, но длина значительно больше. Это объясняется тем, что осевой компрессор устроен совсем не так, как центробежный: воздух течет в нем не от центра к периферии, а вдоль оси компрессора; поэтому он и назван осевым.

Рис. 9. Отечественный турбореактивный двигатель РД-500 с центробежным компрессором: а — общий вид; б — устройство

Рис. 10. Отечественный турбореактивный двигатель РД-10 с осевым компрессором: а — общий вид; б — устройство

Рис. 11. Центробежный компрессор турбореактивного двигателя РД-500

Осевой компрессор представляет собой ряд установленных друг за другом колес, по окружности которых укреплены легкие металлические лопатки (рис. 12). Эти лопатки в поперечном сечении имеют профиль, похожий на дужку лопасти винта или крыла самолета. Вообще каждое отдельное колесо напоминает собой небольшой винт или вентилятор, имеющий много коротких лопастей.

Рис. 12. Осевой компрессор турбореактивного двигателя РД-10

Так же, как и винт, каждое колесо компрессора (оно называется рабочим колесом) отбрасывает воздух назад с большой скоростью и вместе с тем закручивает его по направлению своего вращения. Но в отличие от винта рабочее колесо компрессора не только ускоряет движение воздуха, но и сжимает его. Давление воздуха за колесом больше, чем перед ним, хотя это повышение давления и меньше, чем в крыльчатке центробежного компрессора. Однако сжатие воздуха в осевом компрессоре происходит не только в рабочем колесе. Как и в диффузоре центробежного компрессора, за рабочим колесом происходит дополнительное сжатие воздуха: скорость его уменьшается, а давление растет. Роль диффузора в осевом компрессоре выполняет так называемый неподвижный направляющий аппарат. Этот аппарат представляет собой ряды неподвижных лопаток, установленных между вращающимися рабочими колесами и похожих по форме на лопатки этих колес. Воздух, попадающий из вращающихся колес в каналы между неподвижными лопатками, тормозится в них так же, как это происходит с воздухом в каналах между лопатками диффузора центробежного компрессора. Скорость воздуха при таком торможении уменьшается и становится обычно такой же, какой она была перед рабочим вращающимся колесом. Давление воздуха при этом соответственно растет. Направление движения воздуха в этих каналах также изменяется, в результате чего за неподвижными лопатками скорость потока имеет обычно то же направление, что и до поступления на вращающееся колесо.

Каждое вращающееся колесо с последующим рядом неподвижных лопаток представляет собой ступень компрессора. В одной ступени давление воздуха увеличивается обычно на 20—30%, но так как таких ступеней осевой компрессор имеет несколько, от 5 до 15 и даже более, то выходящий из осевого компрессора воздух обычно имеет давление, большее, чем в случае центробежного компрессора.

В современных турбореактивных двигателях чаще применяется осевой компрессор. Это объясняется тем, что в осевом компрессоре можно получить большие степени сжатия воздуха, чем в центробежном. Увеличение степени сжатия воздуха в компрессоре, как об этом будет сказано ниже, является одним из важных направлений развития турбореактивных двигателей. Кроме того, через осевой компрессор может пройти за секунду больше воздуха, чем через центробежный компрессор такого же диаметра. Тяга же турбореактивного двигателя, как мы знаем, прямо пропорциональна секундному количеству протекающего через него воздуха.

Центробежный компрессор применялся на большинстве турбореактивных двигателей в те времена, когда эти двигатели только появились. Он применяется и теперь обычно в тех случаях, когда решающими факторами являются надежность в эксплуатации и простота изготовления двигателя.

Для вращения компрессора требуется затрачивать значительно большую мощность, чем для вращения воздушного винта. Работа сжатия воздуха зависит от того, как сильно он сжимается, сколько его сжимается и каков коэффициент полезного действия компрессора, т. е. какая часть всей мощности компрессора затрачивается на полезную работу сжатия. В новейших турбореактивных двигателях компрессор ежесекундно сжимает десятки килограммов воздуха, увеличивая его давление в 6—7 раз и более. Неудивительно, что несмотря на очень высокий коэффициент полезного действия компрессора, часто превышающий 80%, мощность, потребная для привода компрессора, достигает в мощных турбореактивных двигателях почти 50 000 лошадиных сил! Конечно, если бы для привода компрессора пришлось установить обычный поршневой двигатель, то реактивных самолетов с большой скоростью полета не существовало бы. Самые мощные из известных поршневых авиационных двигателей развивают мощность не больше 4000 лошадиных сил. Можно было бы создать и двигатели такой огромной мощности, как 50 000 лошадиных сил, хотя это и очень трудная задача. Но такие двигатели имели бы столь большие размеры и вес, что для них нужно было бы построить самолеты огромных размеров. Такие самолеты могли бы летать, конечно, только с очень небольшой скоростью, так как сопротивление их было бы очень велико.

В турбореактивных двигателях для вращения компрессора применяется не поршневой двигатель, а двигатель другого типа — газовая турбина. Этим и объясняется название — турбокомпрессорный реактивный или просто турбореактивный двигатель.

Турбина устанавливается в турбореактивном двигателе за компрессором. Но прежде чем попасть в турбину, воздух, сжатый компрессором, поступает в камеру сгорания двигателя, которая находится между компрессором и турбиной.

Камера сгорания представляет собой одну из важнейших частей турбореактивного двигателя; в ней происходит сгорание топлива, на котором работает двигатель. Обычно этим топливом является керосин, хотя может применяться и бензин. То обстоятельство, что турбореактивные двигатели работают не на бензине, а на керосине, является их дополнительным преимуществом, так как из нефти можно получить значительно больше керосина, чем бензина. Кроме того, удельный вес керосина больше, чем бензина; это значит, что в те же топливные баки самолета может поместиться по весу больше топлива и, следовательно, с этим топливом самолет сможет дальше улететь. Правда, есть у керосина и недостатки. Он, например, менее летуч, чем бензин, а поэтому хуже сгорает в двигателе, что особенно неблагоприятно сказывается при полете на большой высоте, где условия горения и без того ухудшаются. Поэтому ученые и исследователи стремятся найти такое топливо для турбореактивных двигателей, которое обладало бы достоинствами керосина, но было лишено его недостатков.

На рис. 13 показано устройство камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500. Таких камер на двигателе установлено 9; поэтому на диффузоре центробежного компрессора этого двигателя, показанном на рис. 11, можно видеть 9 патрубков, по которым воздух, выходящий из компрессора, подводится к камерам сгорания. Схема работы камеры сгорания показана также на рис. 13. Топливо — керосин — впрыскивается в движущийся с большой скоростью воздушный поток и сгорает в нем. Сгорание топлива в потоке воздуха, движущемся с большой скоростью, связано с очень сложными физическими процессами; о них будет подробнее рассказано ниже, в главе 7. Такое сгорание трудно изучить и трудно добиться, чтобы оно протекало хорошо, а ведь без этого нельзя создать и хорошего турбореактивного двигателя.

Продукты сгорания топлива — горячие газы, имеющие температуру примерно 850—900° С, устремляются из камеры сгорания в газовую турбину. Газовая турбина служит для того, чтобы вращать компрессор, и происходящие в ней процессы противоположны процессам, происходящим в компрессоре. Если в компрессоре воздух сжимается и давление его увеличивается, на что, естественно, приходится затрачивать работу, то в турбине, наоборот, давление воздуха, или, точнее, газов, уменьшается, они расширяются, совершая при этом работу. Если компрессор нужно вращать с помощью какого-нибудь двигателя, то турбина сама развивает мощность и может вращать компрессор. Так и сделано в турбореактивном двигателе — турбина и компрессор связаны в нем прочным стальным валом.

Рис. 13. Устройство камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500 (внизу принципиальная схема работы камеры): 1 — топливная форсунка, 2 — завихритель; 3 — горловина камеры; 4 — колпак; 5 — коническая перегородка; 6 — жаровая труба; 7 — наружный кожух

Что же представляет собой газовая турбина? Нетрудно догадаться, что принципиально по конструкции турбина должна быть похожа на компрессор, так как в этих машинах в сущности протекает один и тот же процесс, но в противоположных направлениях. Поэтому можно представить себе радиальную турбину — по аналогии с центробежным компрессором и осевую турбину — по аналогии с осевым компрессором. Существуют турбины обоих этих типов.

Рис. 14. Сопловой аппарат турбины турбореактивного двигателя РД-500

Радиальная турбина представляет собой такую же крыльчатку, как и крыльчатка центробежного компрессора. Только газы текут в крыльчатке турбины не от центра к периферии, как в компрессоре, а, наоборот, от периферии к центру. Такие турбины применяются редко, обычно на маломощных двигателях небольших размеров.

Рис. 15. Газовая турбина турбореактивного двигателя РД-500

Рис. 16. Радиальный зазор между рабочим колесом и корпусом турбины двигателя РД-500

На большинстве современных турбореактивных двигателей применяются осевые турбины. Как и осевой компрессор, осевая турбина состоит из рабочего вращающегося колеса с закрепленными на нем лопатками и ряда неподвижных лопаток. Но только в компрессоре воздух сначала протекает через рабочее колесо, а затем поступает в неподвижный направляющий аппарат, а в турбине наоборот. Раскаленные газы из камеры сгорания сразу попадают на неподвижные лопатки, которые называются сопловыми лопатками, а весь ряд таких лопаток — сопловым аппаратом (рис. 14). Когда газы текут в сужающихся каналах между сопловыми лопатками (эти каналы называются соплами), то их скорость увеличивается, а давление падает, газы расширяются. Со скоростью в несколько сот метров в секунду газы вытекают из сопел на лопатки вращающегося рабочего колеса турбины (рис. 15). Это колесо установлено в корпусе так, что между лопатками колеса и корпусом остается лишь очень небольшой радиальный зазор (рис. 16), поэтому газы устремляются в каналы между лопатками рабочего колеса. Так как лопатки изогнуты, то при движении газов в криволинейных каналах между лопатками возникает центробежная сила, действующая на них со стороны газов (рис. 17). Под действием этой силы колесо начинает вращаться. Газы вытекают из рабочего колеса со сравнительно небольшой скоростью — всю свою кинетическую энергию они передают рабочему колесу. Поэтому колесо в состоянии развить большую мощность; совершая несколько тысяч и даже несколько десятков тысяч оборотов в минуту, оно приводит во вращение компрессор.

Рис. 17. Принципиальная схема возникновения центробежной силы в каналах, образованных лопатками газовой турбины

Подобно многоступенчатым осевым компрессорам бывают и многоступенчатые осевые турбины. В двухступенчатой турбине за первым рабочим колесом устанавливается один ряд неподвижных лопаток, а за ним еще одно рабочее колесо или устанавливается второй ряд рабочих лопаток на том же колесе. На большинстве современных турбореактивных двигателей применяется одноступенчатая турбина, но есть двигатели с двух- и даже трехступенчатой турбиной. Турбины, имеющие большее число ступеней, на авиационных газотурбинных двигателях применяются очень редко.

Рис. 18. Выхлопной конус (слева) и реактивное сопло двигателя РД-500

За турбиной турбореактивного двигателя давление газов значительно, оно в два — два с лишним раза выше атмосферного давления. Если бы давление газов за турбиной было таким же, как давление воздуха в окружающей атмосфере, то газы вытекали бы из двигателя в атмосферу с той сравнительно небольшой скоростью, которую они имеют за турбиной. Но тогда двигатель не мог бы развить большой тяги. Для увеличения тяги окончательное расширение газов до атмосферного давления, с соответствующим увеличением их скорости, происходит за турбиной, в так называемом реактивном сопле двигателя. Это сопло представляет собой обычно простой конический сходящийся насадок (рис. 18), который крепится к переходной части — выхлопному конусу. Часто на выходе из двигателя приходится устанавливать специальную длинную выхлопную трубу, по которой газы отводятся в атмосферу; длина этой трубы определяется особенностями установки двигателя на самолете. В этом случае реактивное сопло устанавливается на выходе из выхлопной трубы. Подобную выхлопную трубу можно видеть на рис. 19, на котором показана установка турбореактивного двигателя РД-500 на испытательном стенде. Иногда на двигателе приходится устанавливать и более сложную выхлопную трубу. На рис. 20 показано, например, испытание турбореактивного двигателя в положении, соответствующем взлетному; на этом двигателе установлена, как это можно видеть, раздвоенная выхлопная труба.

Рис. 19. Турбореактивный двигатель РД-500 на испытательном стенде

Мы перечислили все основные части турбореактивного двигателя — компрессор, камеру сгорания, турбину, реактивное сопло. Это перечисление сделано в том порядке, в котором попадает в эти части протекающий через двигатель воздух (или газ). Таким образом, с рабочим телом турбореактивного двигателя (воздух, газ) происходят те же изменения, что и с рабочим телом поршневого авиационного двигателя или любого другого двигателя внутреннего сгорания. Вначале воздух, поступивший в двигатель, сжимается, затем к нему подводится тепло, выделяющееся в результате сгорания топлива. Горячие газы расширяются, совершая работу, и вытекают в атмосферу. Следовательно, тепловые процессы в поршневом и турбореактивном двигателях принципиально одинаковы. Но вместе с тем существует и важнейшее различие между обоими типами двигателей в отношении протекания этих тепловых процессов. В поршневом двигателе все процессы протекают в одном месте — в цилиндре двигателя; они лишь смещены по времени и следуют один за другим в том порядке, какой был указан выше. В турбореактивном же двигателе все тепловые процессы происходят одновременно, непрерывно в течение всей работы двигателя, но зато каждый из этих процессов протекает в одной какой-нибудь части двигателя — они смещены не по времени, а в пространстве.

Рис. 20. Испытание турбореактивного двигателя в положении, соответствующем взлетному

Такое различие объясняется тем, что поршневой двигатель — это двигатель периодического действия, т. е. рабочие процессы в нем протекают не непрерывно, а периодически, повторяясь много раз каждую секунду. Ясно, что в этом случае все процессы, происходящие в цилиндрах двигателя, должны быть смещены по времени. Иное дело в турбореактивном двигателе, через который рабочее тело (воздух) течет все время, непрерывно. Тут неизбежно смещение тепловых процессов в пространстве, вдоль газовоздушного тракта двигателя.

Нетрудно заметить, что непрерывность действия турбореактивного двигателя является его преимуществом по сравнению с поршневым двигателем. Действительно, в результате такой непрерывности через турбореактивный двигатель может протечь в секунду больше рабочего тела (воздуха), чем через поршневой двигатель, если даже отвлечься от конструктивных особенностей турбореактивного двигателя, способствующих дополнительному увеличению расхода воздуха. Увеличение расхода воздуха сопровождается увеличением мощности двигателя, ибо при прочих равных условиях с каждого килограмма протекающего через двигатель воздуха может быть получена определенная полезная работа. Этим и объясняется то, что мощность турбореактивного двигателя при больших скоростях полета во много раз превышает мощность поршневого двигателя.

Но возвратимся к турбореактивному двигателю. Мы знаем, что давление газов за турбиной больше давления атмосферного воздуха, так что окончательное расширение газов происходит в реактивном сопле; без этого двигатель не может развивать большой тяги. Очевидно, чем больше давление газов за турбиной, т. е. чем большее давление «срабатывается» в сопле, тем больше тяга двигателя. Следовательно, для увеличения тяги нужно повышать давление газов за турбиной.

Каким же образом можно этого добиться?

На первый взгляд кажется, что для этого проще всего увеличить давление газов перед турбиной, т. е. увеличить давление воздуха, выходящего из компрессора. Но в действительности этот путь не всегда приводит к желаемому результату. Если увеличивать сжатие воздуха в компрессоре, то на вращение компрессора придется затратить большую мощность турбины, а для увеличения мощности турбины потребуется увеличить степень расширения газов в ней. В результате этого давление газов за турбиной может не только не повыситься, а даже уменьшиться.

Чтобы найти правильный путь для повышения давления газов за турбиной и, следовательно, для увеличения тяги турбореактивного двигателя, обратим внимание на одну особенность его работы. Эта особенность имеет важный, принципиальный характер и является общей для всех воздушно-реактивных двигателей, а не только для двигателей турбореактивных.

Рассмотрим, как должна изменяться температура воздуха, протекающего через двигатель. Представим себе, что в двигателе нет камеры сгорания и воздух, выходящий из компрессора, сразу поступает в турбину и в ней расширяется. Сможет ли работать в этом случае турбореактивный двигатель? Конечно, нет. Даже в идеальном случае, т. е. при полном отсутствии каких бы то ни было потерь энергии в компрессоре и в турбине, мощность турбины в таком двигателе будет только равняться мощности компрессора. Но так как потери неизбежны, то турбина будет развивать в этом случае даже меньшую мощность, чем та, которая необходима для вращения компрессора. Следовательно, турбина не сможет вращать компрессор и двигатель работать не будет.

Чтобы мощность турбины была достаточной для привода во вращение компрессора, воздух (или газ), расширяющийся в турбине, должен иметь более высокую температуру, чем воздух, сжимающийся в компрессоре. Мало того, эта разница температур должна быть значительной, иначе турбореактивный двигатель не оправдает своего назначения — турбина будет вращать компрессор, двигатель будет работать, но вся энергия газов будет расходоваться при их расширении в турбине. В результате давление газов за турбиной будет небольшим и, следовательно, небольшой будет и тяга двигателя.

Таким образом, необходимо, чтобы воздух, выходящий из компрессора, был сильно подогрет до поступления в турбину. Для этой цели и служит камера сгорания двигателя. Тепло, выделяющееся в этой камере при сгорании топлива, подогревает проходящий через двигатель воздух примерно до 850—900° С. Выше говорилось о том, что из камеры сгорания вытекает, собственно говоря, уже не воздух, а раскаленные газы — перемешанные с воздухом продукты сгорания. Однако масса этих газов практически та же, что и масса воздуха, так как вес сгорающего в турбореактивном двигателе топлива не превышает 1,5% от веса воздуха.

Но почему турбина, работающая на горячих газах, способна развить большую мощность, чем турбина, работающая на холодном воздухе?

Это объясняется важнейшим свойством газов, в том числе и воздуха, свойством, лежащим в основе всей теплотехники, без которого нельзя было бы создать не только турбореактивного двигателя, но и любой другой тепловой машины.

Это важнейшее свойство всякого газа заключается в том, что горячий газ способен совершить большую работу, чем холодный, при одинаковом его расширении, т. е. при уменьшении давления в одно и то же число раз. Термодинамика, наука о преобразовании тепла в работу, учит, что при прочих равных условиях работа, совершаемая газом при расширении, прямо пропорциональна абсолютной температуре газа, которую он имеет перед расширением. Что более нагретый газ способен совершить большую работу, это совершенно очевидно. Каждый знает, что при нагревании все тела увеличивают свой объем; только для твердых и жидких тел это увеличение объема при нагревании невелико, а для газов оно может быть очень значительным. Начните нагревать газ, заключенный в каком-нибудь сосуде, так, чтобы его давление при этом не изменялось, например, так, как показано на рис. 21, т. е. нагрузив крышку сосуда гирей. В результате нагревания газ расширится, его объем увеличится, хотя давление и останется постоянным. Но всякое расширение газа связано с тем, что расширяющийся газ совершает работу; в нашем случае эта работа проявится в том, что гиря поднимется на большую высоту (в турбореактивном двигателе работа расширения газа в турбине затрачивается потом на сжатие воздуха в компрессоре). Поэтому нагретый газ и совершает в турбине большую работу, чем холодный; добавочная работа тем больше, чем сильнее нагрет газ.

Рис. 21. При нагревании воздуха его объем увеличивается (давление постоянно), при этом совершается работа

Как показывают теория и опыт, температура газов, поступающих на лопатки турбины в турбореактивном двигателе, должна быть значительно большей, чем температура воздуха, выходящего из компрессора. Без этого давление газов за турбиной будет лишь немного превышать атмосферное и двигатель не сможет развить большую тягу. Следует отметить, что повышенное давление газов за турбиной важно только для турбореактивного двигателя, который устанавливается на самолете. В других газотурбинных двигателях, например, предназначенных для морских судов, железнодорожных локомотивов, для установки на электростанциях и т. д., давление за турбиной практически равно атмосферному. Но турбина в этих случаях развевает мощность значительно большую, чем требуется для вращения компрессора. Избыточная мощность, которая при этом развивается, используется для совершения полезной работы — вращения генератора электрического тока, гребного винта корабля, ведущих колес железнодорожного локомотива или автомобиля. Двигатели такого типа применяются также и в авиации, мы о них упоминали выше. Они носят название турбовинтовых двигателей, ибо в них турбина приводит во вращение воздушный винт, с успехом заменяя поршневой двигатель. Турбовинтовым двигателям обеспечено прочное место в авиации; о них мы скажем несколько подробнее ниже.

Итак, для того чтобы турбореактивный двигатель развивал большую тягу, газы в нем должны быть нагреты до очень высокой температуры.

Но здесь мы встречаемся с наиболее, пожалуй, существенной трудностью развития турбореактивного двигателя.

Температура газов — продуктов сгорания топлива — зависит от рода этого топлива. Более калорийные топлива, т. е. топлива, выделяющие больше тепла при сгорании, как правило, образуют при горении и газы более высокой температуры. Бензин и керосин представляют собой весьма калорийные топлива; так, например, 1 кг керосина выделяет при сгорании более 10 000 килокалорий тепла. При сгорании керосина могут быть получены газы с весьма высокой температурой, почти до 2000° С. Однако такая температура является смертельной для двигателя, так как материалы, применяемые для изготовления деталей двигателя, не выдерживают и более низких температур.

Это и являлось главной причиной того, что в течение десятилетий мечта инженеров и ученых о создании газовой турбины не могла быть осуществлена.

Еще в конце прошлого века, после того как паровая турбина продемонстрировала свое конструктивное превосходство над тяжелой, вибрирующей паровой машиной, а двигатель внутреннего сгорания устранил необходимость в сложном, громоздком и малоэкономичном паровом котле, инженеры стали задумываться над двигателем, который совмещал бы в себе достоинства турбины и двигателя внутреннего сгорания. Таким двигателем должна была стать газовая турбина. В паровой турбине происходит расширение пара, который образуется в котле, где вода испаряется под действием тепла, выделяющегося при сгорании топлива. В газовой турбине расширяются непосредственно сами газы — продукты сгорания топлива. Однако все попытки создать газовую турбину заканчивались неудачей, наталкиваясь на, казалось, непреодолимую трудность: не удавалось решить проблему создания лопаток турбинного колеса.

Это не было неожиданностью, так как лопатки колеса работают в чрезвычайно трудных условиях. Представьте себе тонкую, длинную, изогнутую полоску металла (а ведь так именно выглядит лопатка турбины), укрепленную одним концом на колесе довольно большого диаметра, которое вращается с огромным числом оборотов, иногда значительно превышающим 10 000 об/мин. При таких условиях на эту полоску металла действуют большие центробежные силы, которые стремятся оторвать ее от колеса так же, как, например, камень в быстро раскручиваемой праще стремится разорвать удерживающую его веревку. Насколько велики эти силы, можно судить по тому, что иногда они в десятки тысяч раз превышают вес лопатки.

Но это не единственная нагрузка, которую воспринимает при работе двигателя лопатка турбины. Когда на лопатку устремляется поток газов, она начинает колебаться с очень большой частотой. При этом она изгибается и скручивается сотни и тысячи раз в секунду, так что даже прочные волокна — «металлические мышцы», наконец, не выдерживают и рвутся. Только самые высокопрочные металлические сплавы способны выдерживать в течение десятков и сотен часов тяжелый труд, который достается на долю лопаток, турбины.

Но и это еще не все.

Поток газов, устремляющийся с огромной скоростью, обычно превышающей скорость звука, из соплового аппарата на лопатки турбинного колеса, несет с собой страшный жар в сотни градусов. Понятно, что лопатки мгновенно раскаляются докрасна. Если издали заглянуть сквозь выходное отверстие работающего турбореактивного двигателя внутрь его, то можно увидеть огненно-красное кольцо. Это кольцо — след, оставляемый лопатками вращающегося колеса турбины. Температура лопаток достигает 700—750° С. При такой температуре все известные железоуглеродистые сплавы, обычно применяющиеся в тех случаях, когда требуется особая прочность, перестают быть прочными. Их прочность уменьшается в десятки раз, и повышение температуры на каждый лишний градус может привести к быстрому разрушению лопаток. Нагруженная мощной центробежной силой, колеблющаяся лопатка не выдерживает этих условий работы; ослабленный жарой металл рвется, и турбина выходит из строя.

Чтобы создать надежные лопатки турбины, понадобились новые металлы повышенной прочности, причем прочности не при обыкновенной температуре, а при нагреве до красного каления. Такие металлы называются жаропрочными. Но даже высокая жаропрочность металла еще не решает всех проблем создания лопаток, полностью удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям. Дело в том, что лопатка турбины при работе двигателя подвергается страшной болезни, которая носит несколько необычное для техники название — «ползучесть». Пусть даже найден металл, способный выстоять под объединенным натиском жары и нагрузок, — эго еще не значит, что задача решена до конца. Лопатка, изготовленная из такого жаропрочного материала, может начать постепенно, сначала медленно, а потом все быстрее, удлиняться, вытягиваться под действием постоянно приложенной к ней центробежной силы: материал лопатки будет «ползти». Это очень опасно для турбины: удлинившаяся лопатка ослабевает и обрывается либо задевает за корпус турбины и ломается.

Очевидно, материал, из которого можно изготовить лопатки газовой турбины, должен обладать по крайней мере двумя качествами: быть исключительно жаропрочным и вместе с тем не обладать склонностью к ползучести.

Готовых металлов с такими свойствами в природе нет, их нужно было создавать заново. Поэтому борьба за газовую турбину шла двумя путями. Ученые и конструкторы совершенствовали компрессор и турбину, ибо чем они совершеннее, чем больше их коэффициент полезного действия, тем меньше минимальная температура газов, при которой турбина в состоянии не только вращать компрессор, но и развивать полезную мощность. Металлурги же создавали новые сплавы для лопаток турбины.

Наконец, задача была решена. В настоящее время компрессор и турбина стали высокосовершенными машинами с небывало высоким к. п. д. (к. п. д. компрессора достигает 80—82 %, а к. п. д. турбины — почти 90 %). Были получены замечательные сплавы различных редких металлов — никеля, хрома, кобальта, молибдена, вольфрама, тантала, ниобия; эти сплавы обладают большой жаропрочностью и малой ползучестью. Изготовленные из них лопатки турбины надежно работают в течение сотен часов при температуре газов 750—800° С и более.

Интересно отметить, что немалый вклад в решение задачи создания газовой турбины сделали ученые, конструкторы и технологи, работавшие над усовершенствованием… поршневого авиационного двигателя. Вот как это произошло.

Более трети века назад ученые и конструкторы стали задумываться над тем, чтобы научиться использовать теряющуюся энергию отходящих газов поршневого двигателя. Ведь из двигателя через выхлопные патрубки вытекают в атмосферу продукты горения топлива — газы, обладающие температурой до 1000° С. Тепловая энергия этих газов вдвое — втрое превышает мощность двигателя; это значит, что на каждую лошадиную силу мощности, которую развивает двигатель, 2—3 л. с. «вылетают в трубу», теряются с выхлопными газами. Предлагались и исследовались различные методы использования этой теряющейся энергии газов, но наиболее широкое применение нашли турбокомпрессоры.

Идея турбокомпрессора была очень простой. На большинстве авиационных поршневых двигателей, в особенности в предвоенное десятилетие, стали устанавливаться компрессоры для сжатия засасываемого из атмосферы воздуха перед его подачей в цилиндры двигателя. Такой метод подачи в цилиндры поршневого авиационного двигателя предварительно сжатого воздуха называется наддувом, а компрессор, сжимающий воздух,— нагнетателем. Применение нагнетателей позволило значительно улучшить характеристики поршневых авиационных двигателей. В результате наддува в тех же цилиндрах двигателя помещается больше (по весу) воздуха; но это значит, что больше образуется и рабочей топливовоздушной смеси, больше выделяется тепла при ее сгорании и увеличивается, следовательно, мощность двигателя. Наддув очень важен и для обеспечения высотности двигателя, т. е. сохранения его мощности с увеличением высоты полета, — без наддува мощность двигателя с высотой быстро уменьшается из-за того, что на большой высоте воздух разрежен.

Рис. 22. Применение турбокомпрессора на поршневом двигателе:

а — поршневой авиационный двигатель с приводным центробежным нагнетателем; б—поршневой авиационный двигатель с турбокомпрессором, 1 — двигатель, 2—всасывающий воздушный патрубок; 3 — карбюратор; 4 — крыльчатка приводного нагнетателя, 5 — выхлопной трубопровод; 6 — крыльчатка турбокомпрессора; 7 — турбинное колесо турбокомпрессора; 8 — выход выхлопных газов в атмосферу

В качестве нагнетателей поршневых двигателей применяются центробежные компрессоры. Привод во вращение крыльчатки компрессора осуществляется обычно от коленчатого вала двигателя с помощью шестеренчатой передачи, причем число оборотов крыльчатки достигает 20 тысяч в минуту и более.

Рис. 23. Конструкция турбокомпрессора (рядом для сравнения изображен обычный настольный вентилятор):

1 — выход отработавших газов из турбины в атмосферу; 2 — выход охлаждающего воздуха в атмосферу, 3 — колесо турбины; 4 — корпус турбины, 5 — корпус компрессора; 6 — крыльчатка компрессора, 7 — отвод сжатого воздуха к двигателю, 8 — подвод выхлопных газов от двигателя к турбине, 9 — подвод воздуха для охлаждения турбины

На вращение крыльчатки нагнетателя приходится затрачивать значительную часть мощности, развиваемой двигателем, в то время как огромная энергия, заключенная в выхлопных газах двигателя, не используется. Поэтому и родилась идея турбокомпрессора, идея использования газовой турбины для вращения крыльчатки нагнетателя.

Турбокомпрессор представляет собой смонтированные на общем валу крыльчатку компрессора и газовую турбину, которая работает от выхлопных газов двигателя и развивает мощность, необходимую для привода во вращение компрессора (рис. 22). В этом случае мощность, развиваемая двигателем, на привод крыльчатки нагнетателя уже не расходуется. Устройство одного из современных турбокомпрессоров показано на рис. 23.

Шли годы, постепенно совершенствовался турбокомпрессор, значительно улучшая общие характеристики поршневого авиационного двигателя. И вместе с тем все надежнее и лучше становилась газовая турбина, без которой нельзя было создать нового двигателя.

Так в развивающемся старом, поршневом двигателе зарождались ростки нового, турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя.

Следующая глава >

Турбореактивный двигатель — Википедия

Турбореактивный двигатель (ТРД, англоязычный термин — turbojet engine) — воздушно-реактивный двигатель (ВРД), в котором сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания.

Принцип работы

Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии направляется в сужающее сопло, образуя реактивную тягу, которая является основной движущей силой. ^[1]

Ключевые характеристики

Ключевые характеристики ТРД следующие:

1. Создаваемая двигателем тяга.
2. Удельный расход топлива (масса топлива, потребляемая за единицу времени для создания единицы тяги/мощности)
3. Расход воздуха (масса воздуха, проходящего через каждое из сечений двигателя за единицу времени)
4. Степень повышения полного давления в компрессоре
5. Температура газа на выходе из камеры сгорания.
6. Масса и габариты.

Степень повышения полного давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД (Jumo-004) этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40 (General Electric GE90).

Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными (НК-22) или трехкаскадными (НК-25). Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своим каскадом турбины. При этом вал 1-го каскада компрессора (низкого давления), вращаемого последним (самым низкооборотным) каскадом турбины, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада (каскада высокого давления для двухкаскадного двигателя, каскада среднего давления для трехкаскадного). Каскады двигателя также именуют роторами низкого, среднего и высокого давления.

Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.

Первичный воздух — поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси. Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.

Вторичный воздух — поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путём создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.

Третичный воздух — поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.

Благодаря компрессору ТРД (в отличие от ПВРД) может «трогать с места» и работать при низких скоростях полёта, что для двигателя самолёта является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счёт компрессора.

При повышении скорости полёта давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счёт роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве (так же, как в ПВРД) и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.

Диапазон скоростей, в котором ТРД эффективен, смещён в сторону меньших значений, по сравнению с ПВРД. Агрегат «турбина-компрессор», позволяющий создавать большой расход и высокую степень сжатия рабочего тела в области низких и средних скоростей полёта, является препятствием на пути повышения эффективности двигателя в зоне высоких скоростей:

• Температура, которую может выдерживать турбина, ограничена, что накладывает ограничение на количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в камере сгорания, а это ведёт к уменьшению работы, производимой им при расширении.

Повышение допустимой температуры рабочего тела на входе в турбину является одним из главных направлений совершенствования ТРД. Если для первых ТРД эта температура едва достигала 1000 К, то в современных двигателях она приближается к 2000 К. Это обеспечивается как за счёт применения особо жаропрочных материалов, из которых изготовляются лопатки и диски турбин, так и за счёт организации их охлаждения: воздух из средних ступеней компрессора (гораздо более холодный, чем продукты сгорания топлива) подается на турбину и проходит сквозь сложные каналы внутри турбинных лопаток.

• Турбина поглощает часть энергии рабочего тела перед поступлением его в сопло.

В результате максимальная скорость истечения реактивной струи у ТРД меньше, чем у ПВРД, что в соответствии с формулой для реактивной тяги ВРД на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды,^[2]

где P {\displaystyle P}  — сила тяги,
G {\displaystyle G}  — секундный расход массы рабочего тела через двигатель,
c {\displaystyle c}  — скорость истечения реактивной струи (относительно двигателя),
v {\displaystyle v}  — скорость полёта,
ограничивает сверху диапазон скоростей, на которых ТРД эффективен, значениями M = 2,5 — 3 (M — число Маха). На этих и более высоких скоростях полёта торможение встречного потока воздуха создаёт степень повышения давления, измеряемую десятками единиц, такую же, или даже более высокую, чем у высоконапорных компрессоров, и ещё бо́льшее сжатие становится нежелательным, так как воздух при этом нагревается, а это ограничивает количество тепла, которое можно сообщить ему в камере сгорания. Таким образом, на высоких скоростях полёта (при M > 3) агрегат турбина-компрессор становится бесполезным, и даже контрпродуктивным, поскольку только создаёт дополнительное сопротивление в тракте двигателя, и в этих условиях более эффективными становятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Форсажная камера

Хотя в ТРД имеет место избыток кислорода в камере сгорания, этот резерв мощности не удаётся реализовать напрямую — увеличением расхода горючего в камере — из-за ограничения температуры рабочего тела, поступающего на турбину. Этот резерв используется в двигателях, оборудованных форсажной камерой, расположенной между турбиной и соплом. В режиме форсажа в этой камере сжигается дополнительное количество горючего, внутренняя энергия рабочего тела перед расширением в сопле повышается, в результате чего скорость его истечения возрастает, и тяга двигателя увеличивается, в некоторых случаях, более, чем в 1,5 раза, что используется боевыми самолётами при полетах на высоких скоростях. В форсажной камере применяется стабилизатор, функция которого состоит в снижении скорости за ним до околонулевых значений, что обеспечивает стабильное горение топливной смеси. При форсаже значительно повышается расход топлива, ТРД с форсажной камерой практически не нашли применения в коммерческой авиации, за исключением самолётов Ту-144 и Конкорд, полеты которых уже прекратились.

Гибридный ТРД / ПВРД

В 1960-х годах в США был создан гибридный ТРД / ПВРД Pratt & Whitney J58, использовавшийся на стратегическом разведчике SR-71 Blackbird. До числа Маха М = 2,4 он работал как ТРД с форсажем, а на более высоких скоростях открывались каналы, по которым воздух из входного устройства поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась, и она начинала работать, как ПВРД. Такая схема работы позволяла расширить скоростной диапазон эффективной работы двигателя до М = 3,2. В то же время двигатель уступал по весовым характеристикам как ТРД, так и ПВРД, и широкого распространения этот опыт не получил.

Гибридный ТРД / РД

Двигатели этого типа при полете в атмосфере в качестве окислителя используют кислород из атмосферного воздуха, а при полете за пределами атмосферы в качестве окислителя используют жидкий кислород из топливных баков. Двигатели такого типа планировалось использовать в проекте HOTOL и намечено в проекте Skylon^[3].

Регулируемые сопла

ТРД, скорость истечения реактивной струи в которых может быть как дозвуковой, так и сверхзвуковой на различных режимах работы двигателей, оборудуются регулируемыми соплами. Эти сопла состоят из продольных элементов, называемых створками, подвижных относительно друг друга и приводимых в движение специальным приводом, позволяющим по команде пилота или автоматической системы управления двигателем изменять геометрию сопла. При этом изменяются размеры критического (самого узкого) и выходного сечений сопла, что позволяет оптимизировать работу двигателя при полётах на разных скоростях и режимах работы двигателя.[1] (недоступная ссылка)

Область применения

ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолётов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытесненными более экономичными двухконтурными ТРД (ТРДД).

• Образцы летательных аппаратов, оборудованных ТРД
• 

  Штурмовик Су-25 УБ с двумя ТРД Р-95Ш.

• 

  Сверхзвуковой авиалайнер Конкорд с четырьмя ТРДФ Rolls-Royce/Snecma Olympus 593

• 

  Сверхзвуковой авиалайнер — летающая лаборатория Ту-144ЛЛ с четырьмя ТРДФ НК-321

Двухконтурный турбореактивный двигатель

На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя (авторское свидетельство вручили 22 апреля 1941 года). В основу двухконтурных ТРД (далее — ТРДД), в англоязычной литературе — Turbofan, положен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД, по сравнению с обычными ТРД.

Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора. Таким образом, наиболее эффективные и мощные ТРДД делают трёхкаскадными и трёхвальными. К двум роторам внутреннего контура, называемого ещё газогенератором, добавляется ещё один, в котором вентилятор и последний каскад турбины соединены валом, расположенном внутри валов газогенератора.

Одним из важнейших параметров ТРДД является степень двухконтурности, то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур.

где m {\displaystyle m}  — степень двухконтурности,
G 1 {\displaystyle G_{1}} и G 2 {\displaystyle G_{2}}  — расход воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.

Принцип присоединения массы можно истолковать следующим образом.
Согласно формуле полетного КПД ВРД

его повышение в ТРДД достигается за счёт уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла c {\displaystyle c} и скоростью полета v {\displaystyle v} .
Уменьшение тяги, которое, согласно формуле (1), вызовет уменьшение этой разницы между скоростями, компенсируется за счёт увеличения расхода воздуха через двигатель. Увеличение расхода воздуха через двигатель достигается увеличением площади фронтального сечения входного устройства двигателя (увеличением диаметра входа в двигатель), что ведет к увеличению его лобового сопротивления и массы. Иными словами, чем выше степень двухконтурности — тем большего диаметра будет двигатель при прочих равных условиях.

Все ТРДД можно разбить на 2 группы: со смешением потоков за турбиной и без смешения.

В ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм) потоки воздуха из внешнего и внутреннего контура попадают в единую камеру смешения. В камере смешения эти потоки смешиваются и покидают двигатель через единое сопло с единой температурой. ТРДДсм более эффективны, однако наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя.

Например, длина ТРДД АИ-25, устанавливаемого на самолёте Як-40 — 2140 мм, а ТРДДсм АИ-25ТЛ, устанавливаемого на самолёте L-39 — 3358 мм.

ТРДД, как и ТРД, могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами. Как правило это ТРДДсм с малыми степенями двухконтурности для сверхзвуковых военных самолётов.

Управление вектором тяги (УВТ) / Отклонение вектора тяги (ОВТ)

Специальные поворотные сопла на некоторых ТРДД позволяют отклонять истекающий из сопла поток рабочего тела относительно оси двигателя. ОВТ приводит к дополнительным потерям тяги двигателя за счёт выполнения дополнительной работы по повороту потока и усложняет управление самолётом. Но эти недостатки полностью компенсируются значительным повышением манёвренности и сокращением разбега самолёта при взлёте и пробега при посадке, вплоть до вертикальных взлёта и посадки. ОВТ используется исключительно в военной авиации.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности / Турбовентиляторный двигатель

Порою в популярной литературе ТРДД с высокой степенью двухконтурности (выше 2) называют турбовентиляторными. В англоязычной литературе этот двигатель называется turbofan с добавлением уточнения high bypass (высокая двухконтурность), сокращённо — hbp. ТРДД с высокой степенью двухконтурности выполняются, как правило, без камеры смешения. По причине большого входного диаметра таких двигателей их сопло внешнего контура достаточно часто делают укороченным с целью снижения массы двигателя.

Область применения

Можно сказать, что с 1960-х и по сей день в самолётном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространённым классом ВРД, используемых на самолётах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДДФсм с малой степенью до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолётов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

• 

  ТРДД с высокой степенью двухконтурности TF-39 (вид сзади)

Винтовентиляторный двигатель

У винтовентиляторного двигателя поток холодного воздуха создаётся двумя соосными, вращающимися в противоположных направлениях, многолопастными саблевидными винтами, приводимыми в движение от турбины через редуктор. Степень двухконтурности таких двигателей достигает 90.

На сегодня известен лишь один серийный образец двигателя этого типа — Д-27 (ЗМКБ «Прогресс» им. академика А. Г. Ивченко, г. Запорожье, Украина.), использовавшийся на самолёте Як-44 с крейсерской скоростью полёта 670 км/ч, и на Ан-70 с крейсерской скоростью 750 км/ч.

Турбовинтовой двигатель (ТВД)

Турбовинтовые или турбовальные двигатели (ТВД) относятся к ВРД непрямой реакции. Конструктивно ТВД схож с ТРД, в котором мощность, развиваемая последним каскадом турбины, передаётся на вал воздушного винта (обычно через редуктор). Этот двигатель не является, строго говоря, реактивным (реакция выхлопа турбины составляет не более 10 % его суммарной тяги), однако традиционно их относят к ВРД.

Турбовинтовые двигатели используются в транспортной и гражданской авиации при полётах с крейсерскими скоростями 400—800 км/ч.

Вариант этого двигателя с вертикальным выходным валом редуктора используется для привода винтов вертолётов, такие двигатели называют также турбовальными.

Ядерный турбореактивный двигатель

Использует для нагрева воздуха ядерный реактор вместо сжигания керосина. Главным недостатком является сильное радиационное заражение использованного воздуха. Преимуществом является возможность длительного полета^[4].

Примечания

1. ↑ Турбореактивный двигатель с осевым компрессором.
2. ↑ Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
3. ↑ Александр Грек. Человек, который купил космодром // Популярная механика. — 2017. — № 11. — С. 54.
4. ↑ Андрей Суворов. Ядерный след // Популярная механика. — 2018. — № 5. — С. 88-92.

Двигатели

Что такое аэронавтика? | динамика полета | Самолеты | Двигатели | История полета | какой такое UEET?
Словарь | Весело и игры | Образовательные ссылки | Урок Ланс | Индекс сайта | Дом

Как работает реактивный двигатель?

Реактивные двигатели с огромной силой двигают самолет вперед огромная тяга и заставляет самолет лететь очень быстро.

Все реактивные двигатели, которые также называются газовые турбины, работать по тому же принципу. Двигатель всасывает воздух спереди с помощью вентилятора. Компрессор поднимает давление воздуха. Компрессор сделан со многими лезвиями, прикрепленными к валу. Лопасти вращаются с высокой скоростью и сжимают или сжимают воздух. Сжатый воздух тогда распыляется с топливом, и электрическая искра зажигает смесь. горючие газы расширяются и выдуваются через сопло в задней части двигателя.Когда струи газа стреляют назад, двигатель и самолет смещаются вперед. Когда горячий воздух идет к соплу, он проходит через другую группу лопастей. называется турбиной. Турбина прикреплена к тому же валу, что и компрессор. Вращение турбины приводит к вращению компрессора.

На рисунке ниже показано, как воздух проходит через двигатель. Воздух проходит через ядро двигателя, а также вокруг ядра.Это вызывает некоторое количество воздуха быть очень горячим, а некоторые — круче. Кулер воздух затем смешивается с горячим воздух на выходе из двигателя.

Это картина того, как воздух проходит через двигатель

Что такое тяга?

Тяга это передняя сила, которая толкает двигатель и, следовательно, самолет вперед. сэр Исаак Ньютон обнаружил, что для «каждого действия существует равное и противоположная реакция. «Двигатель использует этот принцип. Двигатель принимает в большом объеме воздуха. Воздух нагревается, сжимается и замедляется. Воздух проходит через множество вращающихся лопастей. Смешивая этот воздух со струей топливо, температура воздуха может достигать трех тысяч градусов. Мощность воздуха используется для вращения турбины. Наконец, когда воздух выходит, это выталкивает назад из двигателя.Это заставляет самолет двигаться вперед.

Части реактивного двигателя

Поклонник — Вентилятор является первым компонентом в ТРДД. Большой вращающийся вентилятор всасывает большое количество воздуха. Большинство лезвий вентилятора сделаны из титана. Затем он ускоряет этот воздух и разбивает его на две части. Одна часть проходит через «ядро» или центр двигателя, где на него воздействуют другие компоненты двигателя.

Вторая часть «обходит» сердечник двигателя. Проходит через воздуховод который окружает ядро ​​в задней части двигателя, где он производит большую часть сила, которая продвигает самолет вперед. Этот более прохладный воздух помогает успокоить двигатель, а также добавление тяги к двигателю.

Компрессор — Компрессор первый компонент в ядре двигателя. Компрессор состоит из вентиляторов с множеством лопастей. и прикреплен к валу.Компрессор сжимает воздух, который поступает в него Постепенно меньшие площади, что приводит к увеличению давления воздуха. это приводит к увеличению энергетического потенциала воздуха. Раздавленный воздух нагнетается в камеру сгорания.

Combustor — В камере сгорания воздух смешан с топливом, а затем загорелся. Есть 20 форсунок для распыления топлива. воздушный поток. Смесь воздуха и топлива загорается.Это обеспечивает высокую температура, высокоэнергетический поток воздуха. Горючее с кислородом в сжатом топливе воздух, производящий горячие расширяющиеся газы. Внутренняя часть камеры сгорания часто производится из керамических материалов для обеспечения термостойкой камеры. Жара может достигать 2700 °.

Турбина — Высокоэнергетический поток воздуха из камеры сгорания уходит в турбину, вызывая вращение лопастей турбины. Турбины связаны валом, чтобы вращать лопасти в компрессоре и раскрутить впускной вентилятор спереди.Это вращение отнимает энергию у поток высокой энергии, который используется для привода вентилятора и компрессора. Газы Произведенные в камере сгорания движутся через турбину и вращают ее лопасти. Турбины реактивного двигателя вращаются вокруг тысячи раз. Они закреплены на валах которые имеют несколько наборов шарикоподшипников между ними.

Насадка — Сопло является вытяжным каналом двигатель. Это часть двигателя, которая на самом деле производит тягу для самолет.Истощенный энергией воздушный поток, который прошел турбину, в дополнение к более холодный воздух, который обошел ядро ​​двигателя, создает силу при выходе из форсунка, которая движет вперед двигатель и, следовательно, самолет. Сочетание горячего воздуха и холодного воздуха выталкивается и производит выхлоп, который вызывает прямую тягу. Соплу может предшествовать смеситель , который сочетает в себе высокотемпературный воздух, поступающий из активной зоны двигателя с воздух с более низкой температурой, который был обойден в поклоннике.Смеситель помогает сделать двигатель тише.

Первый реактивный двигатель — А Краткая история ранних двигателей

Сэр Исаак Ньютон в 18 веке был сначала предположить, что взрыв, направленный назад, может привести в движение машину вперед с большой скоростью. Эта теория была основана на его третьем законе движение. Когда горячий воздух проходит через сопло в обратном направлении, самолет движется вперед.

Анри Жиффар построил дирижабль, который был приведен в действие первым двигателем самолета — паровой двигатель с тремя лошадьми. Это было очень тяжелый, слишком тяжелый, чтобы летать.

В 1874 году Феликс де Храм года построил моноплан который пролетел короткий прыжок вниз по склону с помощью угольного парового двигателя.

Отто Даймлер , в конце 1800-х изобрел первый бензиновый двигатель.

В 1894 году американец Хирам Максим пытался привести в действие свой трехместный биплан с двумя угольными паровыми двигателями.Это только пролетели на несколько секунд.

Ранние паровые двигатели работали на подогреве угля и, как правило, слишком тяжелый для полета.

американец Сэмюэль Лэнгли сделал модель самолета которые были приведены в действие паровыми двигателями. В 1896 году он успешно управлял Беспилотный самолет с паровым двигателем, названный Aerodrome . Он пролетел около 1 мили, прежде чем испарился. Затем он попытался построить полный размер самолета, Aerodrome A, с бензиновым двигателем.В 1903 году это разбился сразу же после спуска с домашнего катера.

В 1903 году братьев Райт полетел, Flyer , с 12-сильным газом двигатель.

С 1903 года, года первого полета братьев Райт, до конца 1930-х годов бензиновый поршневой двигатель внутреннего сгорания с пропеллером единственное средство, используемое для приведения в движение самолета.

Это был Фрэнк Уиттл , британский пилот, который разработал и запатентовал первый турбореактивный двигатель в 1930 году.Двигатель Уиттл впервые полетел успешно в мае 1941 года. Этот двигатель имел многоступенчатый компрессор и систему сгорания. камера, одноступенчатая турбина и сопло.

В то же время, когда Уиттл работал в Англии, Ганс фон Охайн работал над аналогичным дизайном в Германии. Первый самолет успешно Использовать газотурбинный двигатель был немецкий Heinkel He 178, август 1939 года. Это был первый в мире турбореактивный двигатель рейс.

General Electric построила первый американский реактивный двигатель для ВВС США Реактивный самолет . Это был экспериментальный самолет XP-59A, который впервые полетел в октябре 1942 года.

Типы реактивных двигателей

Турбореактивные двигатели

Основная идея турбореактивный двигатель просто.Воздух забирается из отверстия в передней части двигателя сжимается в 3-12 раз от исходного давления в компрессоре. Топливо добавляется в воздух и сжигается в камере сгорания для поднять температуру жидкой смеси примерно до 1100 ° F до 1300 ° F. Полученный горячий воздух проходит через турбину, которая приводит в движение компрессор. Если турбина и компрессор работают, давление на выходе турбины будет почти вдвое больше атмосферного давления, и это избыточное давление отправляется к соплу, чтобы произвести высокоскоростной поток газа, который создает тягу.Значительное увеличение тяги может быть достигнуто с помощью форсаже. Это вторая камера сгорания, расположенная после турбины и перед сопло. Дожигатель повышает температуру газа перед соплом. Результатом этого повышения температуры является увеличение примерно на 40 процентов в тяге при взлете и гораздо больший процент на высоких скоростях, как только самолет в воздухе.

Турбореактивный двигатель — реактивный двигатель.В реакторе, расширяющемся газе давить сильно на переднюю часть двигателя. Турбореактивный двигатель всасывает воздух и сжимает или сжимает это. Газы протекают через турбину и заставляют ее вращаться. Эти газы отскочить назад и выстрелить из задней части выхлопа, толкая самолет вперед.

Изображение турбореактивного двигателя

Турбовинты

А турбовинтовой двигатель реактивный двигатель, прикрепленный к винтуТурбина в задняя часть поворачивается горячими газами, и это поворачивает вал, который приводит в движение пропеллер. Некоторые небольшие авиалайнеры и транспортные самолеты приводятся в действие турбовинтовыми двигателями.

Как турбореактивный, турбовинтовой двигатель состоит из компрессора, сгорания камеры и турбины, давление воздуха и газа используется для запуска турбины, которая затем создает мощность для привода компрессора. По сравнению с турбореактивным двигателем, турбовинтовой двигатель обладает большей эффективностью при скорости полета ниже примерно 500 миль в час.Современные турбовинтовые двигатели оснащены винтами, которые имеют меньший диаметр, но большее количество лопастей для эффективной работы на гораздо более высоких скоростях полета. Чтобы приспособить более высокие скорости полета, лопасти имеют форму ятагана с опущенными передними кромками на концах лезвия. Двигатели с такими винтами называются пропфанов .

Изображение турбовинтового двигателя

Турбовентиляторы

А турбовентиляторный двигатель имеет большой вентилятор спереди, который всасывает воздух.Большая часть воздуха проходит вокруг двигателя, что делает его тише и дает больше тяги на низких скоростях. Большинство современных авиалайнеров имеют питание турбовентиляторы. В турбореактивном двигателе весь воздух, поступающий на впуск, проходит через газогенератор, который состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины. В турбовентиляторном двигателе только часть поступающего воздуха поступает в камера сгорания. Остальная часть проходит через вентилятор или компрессор низкого давления, и выбрасывается непосредственно как «холодная» струя или смешивается с выхлопом газогенератора производить «горячую» струю.Целью этого типа обходной системы является увеличение тяга без увеличения расхода топлива. Это достигается путем увеличения общий воздушно-массовый поток и снижение скорости в пределах того же общего источника энергии.

Изображение турбовентиляторный двигатель

Турбовальные валы

Это еще одна форма газотурбинного двигателя, которая работает во многом как турбовинтовой двигатель система.Это не водить винт. Вместо этого он обеспечивает мощность для вертолета ротор. Турбовальный двигатель сконструирован таким образом, чтобы скорость вращения вертолета ротор не зависит от скорости вращения газогенератора. Это разрешает частота вращения ротора должна быть постоянной, даже если скорость генератора варьируется, чтобы модулировать количество производимой энергии.

Изображение турбовального двигателя

Ramjets

ПВРД является Самый простой реактивный двигатель и не имеет движущихся частей.Скорость струи «баранов» или нагнетает воздух в двигатель. По сути это турбореактивный двигатель, в котором вращается машины были опущены. Его применение ограничено тем, что его Степень сжатия полностью зависит от скорости движения. ПВРД не развивает статичность тяга и очень малая тяга вообще ниже скорости звука. Как следствие, Для ПВРД необходим некоторый вспомогательный взлет, такой как другой самолет. Он был использован в основном в ракетно-управляемых системах.Космические аппараты используют это тип струи.

Изображение Ramjet Engine

Вернуться к началу

Что такое аэронавтика? | Динамика полета | самолеты | Двигатели | история полета | Что такое UEET?
Словарь | Весело и игры | Образовательные ссылки | Урок Планы Индекс сайта | Дом

турбореактивных двигателей

Большинство современных пассажирских и военных самолетов оснащены газовая турбина двигатели, которые также называются реактивные двигатели.Первый и самый простой тип из газовой турбины это турбореактивный. Как работает турбореактивный двигатель?

На этом слайде мы показываем компьютерную анимацию турбореактивного двигателя. части двигателя описаны на другие слайды. Здесь нас интересует, что происходит с воздухом который проходит через двигатель. Большое количество окружающего воздуха постоянно вводится в двигатель входное отверстие. (В Англии они называют эту часть потребления, что, вероятно, является более точное описание, так как компрессор втягивает воздух в двигатель.) Мы показали здесь трубчатый вход, как у вас смотри на авиалайнере. Но входы бывают разных форм и размеров в зависимости от миссии самолета. В задней части впуска воздух поступает в компрессор. Компрессор действует как много рядов аэродинамические поверхности, с каждым рядом производства небольшой скачок давления. Компрессор похож на электрический вентилятор. Мы должны поставлять энергию, чтобы превратить компрессор. На выходе из компрессора воздух находится на более высокое давление, чем свободный поток.в горелка небольшое количество топлива объединяется с воздухом и воспламеняется. (В Типичный реактивный двигатель, 100 фунтов воздуха / сек в сочетании только с 2 фунтов топлива / сек Большая часть горячих выхлопных газов поступила из окружающий воздух.) Выходя из горелки, горячий выхлоп передается сквозь турбины. Турбинный завод как ветряная мельница. Вместо того, чтобы нуждаться в энергии, чтобы повернуть лезвия, чтобы сделать поток воздуха, турбина извлекает энергию из потока газа путем заставляя лезвия вращаться в потоке.В реактивном двигателе мы используем энергию извлечены турбиной, чтобы включить компрессор сшивание компрессор и турбина у центрального вала. турбина забирает немного энергии из горячего выхлопа, но этого достаточно энергия осталась, чтобы обеспечить тягу реактивного двигателя за счет увеличения скорость через сопло. Так как скорость на выходе больше скорости свободного потока, тяга созданный как описано уравнение тяги. Для реактивного двигателя массовый расход на выходе почти равен массовый расход свободного потока, так как очень мало топлива добавляется к поток.

уравнение тяги для турбореактивного двигателя есть дано на отдельном слайде.

Навигация ..

Домашняя страница руководства для начинающих

Как работают 4 типа турбинных двигателей

Газовые турбинные двигатели прошли долгий путь с 1903 года. Это был первый год, когда газовая турбина производила достаточно мощности, чтобы поддерживать свою работу. Проект был выполнен норвежским изобретателем Эгидусом Эллингом, и он произвел 11 лошадиных сил, что было огромным подвигом в то время.

В наши дни газотурбинные двигатели бывают всех форм и размеров, и большинство из них производят , что на больше, чем 11 лошадиных сил.Здесь представлены 4 основных типа турбинных двигателей, а также плюсы и минусы каждого.

1) Турбореактивный двигатель

Heinkel He 178, первый в мире турбореактивный самолет

турбореактивные двигатели были первыми изобретенными типами газотурбинных двигателей. И хотя они выглядят совершенно иначе, чем поршневые двигатели в вашем автомобиле или самолете, они работают по одной и той же теории: впуск , компрессия, мощность, выпуск .

Как работает турбореактивный двигатель?

Турбореактивные двигатели работают, пропуская воздух через 5 основных секций двигателя:

Шаг 1: Воздухозаборник
Воздухозаборник представляет собой трубу перед двигателем.Забор воздуха может выглядеть просто, но это невероятно важно. Задача впуска — плавно направлять воздух в лопатки компрессора. На низких скоростях он должен минимизировать потерю воздушного потока в двигатель, а на сверхзвуковых скоростях он должен замедлять воздушный поток ниже Маха 1 (воздух, поступающий в турбореактивный двигатель, должен быть дозвуковым, независимо от того, насколько быстро летит самолет ).

Шаг 2: Компрессор
Компрессор приводится в действие турбиной в задней части двигателя, и его работа заключается в сжатии поступающего воздуха, что значительно увеличивает давление воздуха.Компрессор представляет собой серию «вентиляторов», каждый из которых имеет все меньшие и меньшие лопасти. Когда воздух проходит через каждую ступень компрессора, он становится более сжатым.
Шаг 3: Камера сгорания
Далее идет камера сгорания, где волшебство действительно начинает происходить. Воздух высокого давления объединяется с топливом, и смесь воспламеняется. Когда топливно-воздушная смесь горит, она движется через двигатель к турбине. Турбореактивные двигатели работают очень обедненно, приблизительно с 50 частями воздуха на каждую 1 часть топлива (большинство поршневых двигателей работают в диапазоне от 6 до 1 до 18 до 1).Одна из главных причин, по которой турбины работают в таком наклоне, заключается в том, что для охлаждения турбореактивного двигателя необходим дополнительный поток воздуха.
Шаг 4: Турбина
Турбина — это еще одна серия «вентиляторов», которые работают как ветряная мельница, поглощая энергию высокоскоростного воздуха, проходящего через нее. Лопатки турбины соединены с валом и вращают его, который также соединен с лопатками компрессора в передней части двигателя. «Круг жизни» турбореактивного двигателя почти завершен.

Шаг 5: Выхлоп (он же «Я отсюда!»)
Высокоскоростная сгоревшая топливно-воздушная смесь выходит из двигателя через выпускную форсунку.Когда высокоскоростной воздух выходит из задней части двигателя, он создает тягу и толкает самолет (или все, к чему он прикреплен) вперед.

Турбореактивный вынос:

• Плюсы:
• Относительно простой дизайн
• Способный к очень высоким скоростям
• Занимает мало места
• Минусы:
• Высокий расход топлива
• Громко
• Плохая производительность на низких скоростях

2) Турбовинтовой двигатель

King Air с турбовинтовыми двигателями

Следующие три типа турбинных двигателей — это все формы турбореактивного двигателя, и мы начнем с турбовинтового двигателя.Турбовинтовой двигатель представляет собой турбореактивный двигатель, соединенный с пропеллером через систему зацепления.

Как работает турбовинтовой двигатель?

Шаг 1 : турбореактивный двигатель вращает вал, который соединен с коробкой передач

Шаг 2 : коробка передач замедляет вращение, а самая медленная передача соединяется с винтом

Шаг 3 : Пропеллер вращается по воздуху, создавая тягу точно так же, как ваша Cessna 172

Разборка турбовинтового двигателя:

• Плюсы:
• Очень экономичный
• Наиболее эффективен на средней скорости между 250-400 узлами
• Наиболее эффективен на средних высотах от 18 000 до 30 000 футов
• Минусы:
• Ограниченная прямая скорость полета
• Системы передачи тяжелы и могут сломаться

3) Турбовентиляторный двигатель

Некоторые широкофюзеляжные турбовентиляторные двигатели могут производить более 100 000 фунтов тяги.

объединяют лучшее из обоих миров между турбореактивными двигателями и турбовинтовыми двигателями.И вы, вероятно, увидите эти двигатели, когда отправитесь в аэропорт на следующий рейс.

Как работает турбовентилятор?

Турбовентиляторы работают, прикрепляя канальный вентилятор к передней части турбореактивного двигателя. Вентилятор создает дополнительную тягу, помогает охлаждать двигатель и снижает уровень шума двигателя.

Шаг 1 : Входящий воздух делится на два отдельных потока. Один поток обтекает двигатель (обводной воздух), а другой — через сердечник двигателя.

Шаг 2 : Обводной воздух проходит вокруг двигателя и ускоряется канальным вентилятором, создавая дополнительную тягу.

Шаг 3 : Воздух проходит через турбореактивный двигатель, продолжая создавать тягу.

Турбофан вынос:

• Плюсы:
• Экономия топлива
• тише турбореактивных
• Они выглядят потрясающе
• Минусы:
• тяжелее турбореактивных двигателей
• Большая лобовая площадь, чем у турбореактивных двигателей
• Неэффективно на очень больших высотах

турбовентилятор Pratt & Whitney F100 с форсажной камерой на F-16

4) Турбовальный двигатель

Вертолет Bell 206 с турбовальным двигателем

в основном используются на вертолетах.Самая большая разница между турбовальными и турбореактивными двигателями заключается в том, что турбовальные двигатели используют большую часть своей мощности для вращения турбины, а не для создания тяги в задней части двигателя.

Как работает турбовальный вал?

Турбовальные валы — это, по сути, турбореактивный двигатель с большим валом, соединенным с задней его частью. А поскольку большинство этих двигателей используются на вертолетах, этот вал соединен с лопастью ротора.

Шаг 1 : Двигатель по большей части работает как турбореактивный двигатель.

Шаг 2 : Приводной вал, прикрепленный к турбине, приводит в действие трансмиссию.

Шаг 3 : коробка передач передает вращение от вала к лопасти ротора.

Шаг 4 : Вертолет с помощью неизвестных и магических средств способен летать по небу.

Вывод турбовального вала:

• Плюсы:
• Отношение мощности к весу намного выше, чем у поршневых двигателей
• Обычно меньше поршневых двигателей
• Минусы:
• Громко
• Зубчатые передачи, соединенные с валом, могут быть сложными и выходить из строя

4 типа двигателей, основанных на одной базовой концепции

Газотурбинные двигатели прошли долгий путь за последние 100 лет.И хотя турбореактивные двигатели, турбовинтовые турбовентиляторы, турбовентиляторы и турбовалы имеют свои различия, они по сути производят мощность одинаково: впуск, сжатие, мощность и выхлоп.

Станьте лучшим пилотом.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и тесты, которые сделают вас умнее, безопаснее пилота.

реактивный двигатель | инжиниринг | Британика

Газовая турбина работает по циклу Брайтона, в котором рабочей жидкостью является непрерывный поток воздуха, поступающего во впускное отверстие двигателя. Воздух сначала сжимается турбокомпрессором до отношения давлений, обычно в 10-40 раз превышающего давление входящего воздушного потока (как показано на рисунке 1). Затем он поступает в камеру сгорания, где вводится устойчивый поток углеводородного топлива в виде капель брызг жидкости и пара или обоих, и сжигается при приблизительно постоянном давлении.Это приводит к непрерывному потоку продуктов сгорания под высоким давлением, средняя температура которых обычно составляет от 980 до 1540 ° С или выше. Этот поток газов протекает через турбину, которая связана крутящим валом с компрессором и которая извлекает энергию из потока газа для привода компрессора. Поскольку тепло добавляется в рабочую жидкость под высоким давлением, газовый поток, выходящий из газогенератора после расширения через турбину, содержит значительное количество избыточной энергии, т.е.то есть, газовая мощность — благодаря его высокому давлению, высокой температуре и высокой скорости, которые могут использоваться для двигательных целей.

Теплоотдача, выделяемая при сжигании в воздухе типичного реактивного топлива, составляет приблизительно 43 370 килоджоулей на килограмм (18 650 британских тепловых единиц на фунт) топлива. Если бы этот процесс был эффективен на 100 процентов, он бы вырабатывал мощность газа для каждой единицы расхода топлива, равной 745 лошадиных сил / (фунтов в час) или 12 киловатт / (кг в час). На самом деле, определенные практические термодинамические ограничения, которые являются функцией максимальной температуры газа, достигнутой в цикле, ограничивают эффективность процесса примерно до 40 процентов от этого идеального значения. Пиковое давление, достигаемое в цикле, также влияет на эффективность выработки энергии. Это означает, что нижний предел удельного расхода топлива (SFC) для двигателя, вырабатывающего газовую мощность, составляет 0,336 (фунт в час) / лошадиная сила или 0.207 (кг в час) / киловатт. На практике SFC даже выше этого нижнего предела из-за неэффективности, потерь и утечек в отдельных компонентах первичного двигателя.

Поскольку вес и объем имеют первостепенное значение в общей конструкции самолета и поскольку силовая установка представляет собой значительную долю общего веса и объема любого самолета, эти параметры должны быть сведены к минимуму в конструкции двигателя.Воздушный поток, проходящий через двигатель, является типичным показателем площади поперечного сечения двигателя и, следовательно, его веса и объема. Поэтому важным показателем заслуг первичного двигателя является его удельная мощность — количество энергии, которое он генерирует на единицу воздушного потока. Эта величина очень сильно зависит от пиковой температуры газа в активной зоне на выходе из камеры сгорания. Современные двигатели вырабатывают от 150 до 250 лошадиных сил / (фунт в секунду) или от 247 до 411 киловатт / (кг в секунду).

Пропульсор

Газовая мощность, создаваемая первичным двигателем в виде горячего газа высокого давления, используется для привода движителя, позволяя ему создавать тягу для приведения в движение или подъема самолета. Принцип, на котором создается такая тяга, основан на втором законе движения Ньютона. Этот закон обобщает наблюдение о том, что сила ( F ), необходимая для ускорения дискретной массы ( м, ), пропорциональна произведению этой массы на ускорение ( и ).В действительности,

, где масса принимается за вес ( × ) объекта, деленный на ускорение, вызванное силой тяжести ( г, ) в месте взвешивания объекта. В случае реактивного двигателя, как правило, имеет дело с ускорением постоянного потока воздуха, а не с дискретной массой. Здесь эквивалентное утверждение второго закона движения состоит в том, что сила ( F ), необходимая для увеличения скорости потока жидкости, пропорциональна произведению скорости массового потока ( M ) потока и изменение скорости потока,

, где скорость впуска ( В ₀ ) относительно двигателя принимается за скорость полета, а скорость нагнетания ( В _j ) является скоростью выхлопа или струи относительно двигателя. W — это скорость потока массы рабочей жидкости (то есть воздуха или продуктов сгорания), деленная на ускорение силы тяжести в месте, где измеряется поток массы. Относительно небольшое влияние весового потока топлива на создание разницы между весовым потоком входного и выходного потоков преднамеренно игнорируется.

Таким образом, можно сделать вывод, что компоненты движителя должны оказывать силу F на поток воздуха, протекающий через движитель, если это устройство ускоряет поток воздуха от скорости полета V ₀ до скорости разряда V _j .Реакция на эту силу F в конечном итоге передается держателями движителя на летательный аппарат в виде движущей тяги.

Существует два основных подхода к переводу газовой мощности в тягу. В одной из них вторая турбина (то есть турбина низкого давления или силовая турбина) может быть введена в путь потока двигателя для извлечения дополнительной механической мощности из имеющейся газовой мощности. Эта механическая сила может затем использоваться для привода внешнего движителя, такого как воздушный винт самолета или вертолет.В этом случае тяга развивается в движителе, когда он возбуждает и ускоряет воздушный поток через движитель, то есть воздушный поток, отдельный от потока, который течет через первичный двигатель.

Во втором подходе высокоэнергетический поток, доставляемый первичным двигателем, может подаваться непосредственно в струйное сопло, которое ускоряет поток газа до очень высокой скорости, когда он покидает двигатель, как это характерно для турбореактивного двигателя. В этом случае тяга развивается в компонентах первичного двигателя, поскольку они возбуждают поток газа.

В двигателях других типов, таких как турбовентиляторный двигатель, тягу создают с помощью обоих подходов: основная часть тяги получается от вентилятора, который приводится в действие турбиной низкого давления и которая возбуждает и ускоряет обводной поток ( см. ниже ). Оставшаяся часть общей тяги выводится из активной зоны, которая выпускается через форсунку.

Так же, как первичный двигатель является несовершенным устройством для преобразования теплоты сгорания топлива в газовую мощность, так и движитель является несовершенным устройством для преобразования газовой мощности в движущую тягу.Как правило, в высокотемпературном, высокоскоростном струйном потоке, выходящем из движителя, остается много энергии, которая не используется полностью для движения. Коэффициент полезного действия движителя, коэффициент полезного действия η _p , является частью доступной энергии, которая полезна для приведения в движение летательного аппарата, по сравнению с общей энергией реактивного потока. Для простого, но представительного случая потока нагнетаемого воздуха, равного потоку газа на входе, установлено, что

Хотя скорость струи В _j должна быть больше скорости самолета В ₀ для создания полезной тяги, большая скорость струи, которая значительно превышает скорость полета, может быть очень вредной для двигательной эффективности ,Максимальная эффективность движителя достигается, когда скорость струи почти равна (но, по необходимости, немного выше) скорости полета. Этот фундаментальный факт привел к появлению большого разнообразия реактивных двигателей, каждый из которых предназначен для создания определенного диапазона скоростей реактивного двигателя, который соответствует диапазону скоростей полета самолета, на который он рассчитан.

Чистая оценка эффективности реактивного двигателя — это измерение расхода топлива на единицу создаваемой тяги (например,(в фунтах или килограммах на час потребленного топлива на фунты или килограммы произведенной тяги). Нет простого обобщения значения удельного расхода топлива тягового двигателя. Это не только сильная функция эффективности первичного двигателя (и, следовательно, его отношения давления и температуры пикового цикла), но также и эффективности движителя движителя (и, следовательно, типа двигателя). Он также сильно зависит от скорости полета самолета и температуры окружающей среды (что, в свою очередь, сильно зависит от высоты, времени года и широты).